前沿关注纵观: 厌氧MBR与厌氧氨氧化在日本污水处理中低碳新概念设计

查看全部 · 发表于 2021-5-16 16:06:24

日本国立东北大学的李玉友教授介绍了日本分散式污水处理的发展历程，并结合其团队的研究，提出了一种可以高效回收能量，而且具有经济效益的新型处理工艺。

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日本污水处理概况

为了更高效地开展生活污水治理，日本坚持结合地区的特点进行生活污水处理设施的建设。根据对象地区的人口密度，来建设不同类型的生活污水处理设施。在人口密度高的城市地区或在居住比较密集的农村地区，主要建设下水道和农业村落排水设施这样的集中式处理设施，而在人口密度低的城郊、农村、山区，则以安装以净化槽为代表的分散式处理设施。

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净化槽（Johkasou）技术包括处理以家庭为单位的生活污水的小型家用净化槽、处理楼房和学校、医院、超市等排放的生活污水的大中型净化槽，现在使用中的净化槽绝大部分都是小型家用净化槽。数据显示目前在日本净化槽的服务人口超过900万。日本的净化槽技术应用范围很广，可以处理楼房住宅、医院、超市等生活污水，一般由厌氧滤池、接触曝气池和消毒池组成，而且能适应不同情况的出水要求。

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日本主要生活污水处理系统的概况

由此可见，分散式的污水处理理念在日本已经有一定的时间，而日本对污泥处理也十分重视，厌氧发酵回收沼气、焚烧和堆肥都是常见的处理手段。尽管如此，日本的水处理研究者依然在不断地寻找能耗更低、成本更实惠的解决方案。

在这样的背景下，李玉友教授提出了一种可以回收能源，并且具有经济效益的新型污水处理方案--基于厌氧MBR (AnMBR)和厌氧氨氧化两种新兴工艺的低碳设计。他表示学术圈对AnMBR和Anammox两种工艺已经分开研究了很长的时间，但对于其结合应用的研究却很少。

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厌氧膜生物反应器AnMBR

日本早在2000年就有了第一个AnMBR的工程应用，研究也从早期的产氢发展到如今处理市政污水。关于AnMBR的研究，李玉友教授团队主要关注六个方面的内容，即HRT和温度的影响、悬浮固体和表面活性剂的降解情况、溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)对膜污染的影响以及中试应用。

HRT

AnMBR的出水COD可以低于40mg/L，BOD和COD的去除效率均高于90%。由于膜过滤的作用悬浮固体得到绝对的截留。随着HRT缩短，AnMBR的沼气产量会相应增加，而沼气的甲烷含量可以稳定维持在80%的水平（常温），并且其污泥产量（0.06-0.09 gMLSS/gCOD）远低于传统活性污泥的对应值（0.25-0.4 gMLSS/gCOD）。这些数据显示了AnMBR能同时实现高效厌氧消化以及优质出水。

温度

当温度低于15℃的时候，AnMBR的甲烷产量和COD去除率都受到显著影响。温度的降低一方面导致SMP和EPS释出量的增加，导致膜污染情况恶化，一方面也增加了甲烷的溶解度。

悬浮固体的降解

厕纸是生活污水的主要不溶性COD组分。但是厕纸在AnMBR里可以得到完全溶解，而且不会在混合液和滤饼层积聚。生成的甲烷有26%来自厕纸的降解。悬浮固体中的纤维素在HRT长于12小时的时候影响不显著，但在HRT降至6小时会发现污泥里的纤维素积聚现象。

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表面活性剂的降解

研究团队分别选取了聚氧乙烯醚（alcohol ethoxylates-AE）和直链烷基苯磺酸钠( Linear Alkylbenzene Sulfonates -LAS)作为代表性的非离子和离子表面活性剂进行实验。结果显示，AE得到有效降解并转化为甲烷。而且系统完成对AE的长期自适应后，污泥的产甲烷活性得到进一步提高。但是如果AE含量过高（F/M比>1）则可能破坏细胞结构，降低产甲烷活性。而LAS则明显抑制了产甲烷活性，它的去除主要通过吸附而不是降解来进行。与产酸菌相比，LAS在污泥中的积聚对产甲烷菌产生更大的负面作用。

中试对比

研究团队还对AnMBR进行了中试实验，并且与传统的活性污泥法工艺系统进行对比。结果显示，通过使用AnMBR，可以获得良好出水水质，甲烷产量大大增加，污泥产量比活性污泥法少2/3。

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厌氧氨氧化Anammox

研究团队在2011年开始对anammox展开了研究。最初先研究反应器的启动和颗粒化，随后两年开始研究抑制机制和恢复方法，然后就开始了厌氧氨氧化附着膜膨胀床反应器（Anammox attached film expended bed -AAFEB），同时开发对单阶工艺使用的人工载体和微颗粒进行优化。

团队开发的AAFEB厌氧氨氧化工艺通过pH的控制和人工和自然形成的anammox颗粒高效地处理高氨氮浓度的废水。研究团队为期220多天的跟踪研究发现，曝气率和溶解氧是影响脱氮表现的关键参数，HRT可以低至2小时，出水TN值在8-18mg/L之间，去除率为74±15%。

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AnMBR+Anammox

团队搭建的小规模实验系统由一个运行体积为20L的AnMBR和一个含有悬浮载体的7L单阶厌氧氨氧化反应器组成。这个新概念系统在日本仙台的Senen污水处理厂已经运行了200多天。AnMBR的HRT已成功缩短至6小时，而单阶厌氧氨氧化反应器的HRT成功缩短至2小时，载体填充率为20%，曝气率为1L/分钟。

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结合AnMBR+单级anammox的反应器系统

李玉友教授表示该研究项目从2017年开始，将进行3年，目前仍在各种测试以及数据收集和分析阶段，据透露他们目前正在搭建一个规模为20m³/d处理设施。

对于这个AAFEB工艺感兴趣的读者，可以参考李教授团队发表在Bioresource Technology第253期的一篇相关文章Stoichiometric variation and loading capacity of a high-loading anammox attached film expanded bed (AAEEB) reactor。来源： IWA国际水协会

与传统的活性污泥法相比，AnMBR具有可处理高COD浓度废水、工序简单、甲烷回收率高等优点，但依然要解决出水氨氮高的问题。李玉友教授及其研究团队因为在AnMBR和anammox两方面都有研究，因此想到了用anammox作为AnMBR后续处理工艺，通过使用AAFEB流化床反应器和投加人工载体的设计，实现了厌氧氨氧化主流脱氮和AnMBR的耦合。如果这个新概念能在进一步的长期实验中得到验证，这将是污水处理技术的又一重大突破。